現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)比分析

肖建莊 丁 陶 王長(zhǎng)青 范氏鸞

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)比分析

肖建莊 丁 陶 王長(zhǎng)青 范氏鸞

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

摘 要:分別對(duì)1/4縮尺且平立面相同的現(xiàn)澆和預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比研究了2個(gè)再生混凝土框架的自振頻率、樓層剪力、樓層位移、層間位移等動(dòng)力反應(yīng)以及剛度退化、延性等抗震性能.對(duì)比分析表明，在彈性和彈塑性階段前期，隨著臺(tái)面輸入加速度峰值的增加，2個(gè)模型均呈現(xiàn)自振頻率下降、樓層剪力和位移反應(yīng)逐漸增大的趨勢(shì)，且動(dòng)力反應(yīng)變化趨勢(shì)和抗震性能差別不大;在彈塑性階段后期，預(yù)制框架后澆節(jié)點(diǎn)破壞程度較明顯，結(jié)構(gòu)承載力低于現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，且剛度退化更為迅速，層間位移較現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)明顯偏大.預(yù)制再生混凝土框架抗震能力總體略差于現(xiàn)澆框架，但施工方式的不同對(duì)結(jié)構(gòu)延性系數(shù)影響不明顯.

關(guān)鍵詞:再生混凝土;現(xiàn)澆;預(yù)制;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);抗震性能

當(dāng)代混凝土的發(fā)展，由追求高強(qiáng)、高性能逐漸向綠色混凝土方向靠攏，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)再利用的再生混凝土技術(shù)是發(fā)展綠色混凝土的主要措施之一［1］.同時(shí)，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)代建筑最重要的結(jié)構(gòu)形式之一，具有節(jié)約材料和勞動(dòng)力、提高施工工效、加快施工進(jìn)度、提高建筑工程的產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)［2］.相關(guān)研究表明，預(yù)制施工技術(shù)還可減少施工過程中產(chǎn)生的垃圾總量，符合可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)［3-4］.再生混凝土耐久性能低于普通混凝土，限制了再生混凝土的推廣應(yīng)用.而預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量的可控性又為再生混凝土技術(shù)的應(yīng)用提供了有力的支撐.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究已有一定成果，主要涉及再生混凝土節(jié)點(diǎn)［5-6］、構(gòu)件［7-8］、平面［9-10］及整體框架［11］，但尚不清楚預(yù)制施工技術(shù)對(duì)再生混凝土框架抗震性能的影響.為了在地震區(qū)推廣應(yīng)用再生混凝土技術(shù)，本課題組完成了2個(gè)6層1/4縮尺的再生混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型的主要區(qū)別在于施工方式的不同，分別為現(xiàn)澆和預(yù)制結(jié)構(gòu)，以探討施工方式的不同對(duì)再生混凝土框架抗震性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 相似關(guān)系

為了最大限度地利用振動(dòng)臺(tái)面，將2個(gè)再生混凝土框架模型的幾何相似比均取為1/4.考慮到實(shí)驗(yàn)室噪聲的影響，加速度相似比不宜取得過小，取為1.848，同時(shí)再生混凝土彈性模量相似比取為1.0.基于 Buckingham π 定理［12］，模型設(shè)計(jì)所需的其他相似關(guān)系可根據(jù)幾何、加速度、彈性模量3個(gè)相似比來求出.

1.2 模型材料

設(shè)計(jì)再生混凝土配合比時(shí)，均采用再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C30，坍落度范圍為180～200 mm.再生粗骨料由廢混凝土破碎、篩分加工而成，由相似關(guān)系得到粒徑范圍為5～10 mm.細(xì)骨料選用河砂，水泥均采用海螺牌42.5R普通硅酸鹽水泥.由于2次試驗(yàn)有一定時(shí)間間隔，所選再生粗骨料不是同一批次，因此配合比略有不同.現(xiàn)澆框架水、水泥、砂、再生粗骨料的質(zhì)量比為 1∶1.887∶2.301∶3.312，預(yù)制框架結(jié)構(gòu)水、水泥、砂、再生粗骨料的質(zhì)量比為1∶1.859∶3.202∶4.554.2個(gè)模型的再生混凝土材料性能詳見表1.2個(gè)模型均采用鍍鋅鐵絲來模擬鋼筋.模型中縱向鋼筋采用8#和10#鍍鋅鐵絲，箍筋采用14#鍍鋅鐵絲.表1中，f1cn為再生混凝土梁柱構(gòu)件立方體平均抗壓強(qiáng)度;f2cn為后澆再生混凝土立方體平均抗壓強(qiáng)度;a為再生粗骨料吸水率.

表1 再生混凝土材性性能指標(biāo)

1.3 模型設(shè)計(jì)與施工

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?跨2開間6層的框架結(jié)構(gòu)，平立面布置規(guī)則按“強(qiáng)柱弱梁”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)為二級(jí);模型的配筋和構(gòu)造要求按設(shè)防烈度為8度、建筑場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地的地震區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)［13］.根據(jù)相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)總高度為4 500 mm.預(yù)制框架設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到預(yù)制構(gòu)件施工方便，預(yù)制梁截面設(shè)計(jì)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)略有區(qū)別.預(yù)制框架梁設(shè)計(jì)為疊合梁，梁頂鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎;預(yù)制構(gòu)件的連接形式采取柱-柱榫式連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)柱鋼筋采用焊接連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)和板混凝土采用后澆.采用柱-柱榫式連接方式，在施工吊裝階段應(yīng)對(duì)上柱榫頭的受壓承載力進(jìn)行驗(yàn)算.為了增加上下柱的整體性，在后澆混凝土?xí)r應(yīng)在上部留些許縫隙，后捻干硬性細(xì)石混凝土，必要時(shí)榫頭底部可預(yù)埋鋼板并與下柱點(diǎn)焊連接.框架平面尺寸和2個(gè)梁柱的節(jié)點(diǎn)詳圖見圖1.

圖1 預(yù)制與現(xiàn)澆再生混凝土框架模型(單位:mm)

1.4 波形選擇與測(cè)點(diǎn)布置

為了模擬多種場(chǎng)地條件，振動(dòng)臺(tái)所輸入的地震波選用了汶川地震波(WCW)、El Centro波(ELW)和上海人工波(SHW).2次試驗(yàn)均在結(jié)構(gòu)的每層布置了加速度傳感器和位移傳感器，主要測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的樓層加速度和位移.其中，加速度傳感器30個(gè)，拉線式位移傳感器14個(gè).

1.5 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)時(shí)根據(jù)模型的動(dòng)力相似關(guān)系，對(duì)真實(shí)地震記錄做了修正，即調(diào)整了地震波持續(xù)時(shí)間和加速度峰值.地震波的持續(xù)時(shí)間為真實(shí)地震的0.368倍.根據(jù)抗震設(shè)防要求［13］，輸入地震波加速度峰值從小到大依次增加，以模擬不同水準(zhǔn)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用.2次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹髡鸱较蚓鶠閄方向，地震波單向輸入.前后輸入工況分別為0.066g，0.130g，0.185g，0.370g，0.415g，0.550g和 0.750g.模擬的地震水準(zhǔn)包括從7度多遇到8度罕遇.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果對(duì)比

2.1 模型破壞過程對(duì)比

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震試驗(yàn)中的可見破壞均主要集中在梁端、柱端以及梁柱節(jié)點(diǎn)處;主要區(qū)別在于試驗(yàn)后期較強(qiáng)地震作用時(shí)，預(yù)制框架后澆節(jié)點(diǎn)的裂縫發(fā)展較現(xiàn)澆框架更為明顯.

試驗(yàn)結(jié)束后，2個(gè)模型的破壞都是1層和2層最為嚴(yán)重，梁端均出現(xiàn)塑性鉸，部分節(jié)點(diǎn)通裂甚至壓碎.相比較而言，預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重，1～2層后澆節(jié)點(diǎn)形成斜交叉裂縫，且部分新老混凝土界面產(chǎn)生水平裂縫，保護(hù)層嚴(yán)重脫落.在強(qiáng)烈地震作用下，后澆節(jié)點(diǎn)剛度退化更為迅速.2個(gè)再生混凝土框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟糠至褐肮?jié)點(diǎn)裂縫發(fā)展情況見圖2.

圖2 框架模型典型裂縫圖

2.2 自振頻率對(duì)比

以模型在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前測(cè)得的自振頻率為基準(zhǔn)，2個(gè)模型主震X方向在不同工況下的自振頻率變化規(guī)律見圖3.在試驗(yàn)前半階段，輸入較小峰值的地震波激勵(lì)時(shí)，即模型在彈性和彈塑性前期階段，2個(gè)模型頻率均不斷下降，且輸入地震波的能量越大，頻率下降的趨勢(shì)越快，但二者頻率下降的趨勢(shì)基本相同，這表明二者的抗震能力差別不大.在試驗(yàn)的最后階段，特別是地震波為0.550g～0.750g階段，預(yù)制框架結(jié)構(gòu)頻率下降速度明顯快于現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu).結(jié)合結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象分析可知，試驗(yàn)后期預(yù)制框架較現(xiàn)澆框架損傷更為嚴(yán)重，這是由于后澆節(jié)點(diǎn)剛度退化更為迅速所致.但總體來說，二者的頻率下降趨勢(shì)基本一致.

圖3 X方向Ⅰ階頻率變化圖

2.3 樓層剪力對(duì)比

圖4表示地震波為0.370g(試驗(yàn)中期)和0.750g(試驗(yàn)后期)工況下，模型分別在 WCW，ELW和SHW作用下的最大樓層層剪力分布.由圖4不難看出，在同一地震水準(zhǔn)作用下，現(xiàn)澆框架和預(yù)制框架各樓層的最大樓層剪力均沿樓層高度方向呈遞減趨勢(shì).當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性階段和彈塑性階段的初期，隨著臺(tái)面輸入加速度峰值的增加，各樓層的剪力會(huì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入嚴(yán)重彈塑性階段，結(jié)構(gòu)損傷累積，抗側(cè)剛度減小，樓層剪力達(dá)到結(jié)構(gòu)最大承載能力.此時(shí)，隨著臺(tái)面加速度峰值的增加，模型樓層剪力反而下降.

在地震波為0.370g的地震試驗(yàn)中，2個(gè)模型在相同地震波作用下的樓層剪力十分接近，最大樓層剪力已接近和達(dá)到最大承載能力值，模型發(fā)生較大的破壞，這與試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是一致的.在0.750g地震水準(zhǔn)作用下，預(yù)制框架的樓層剪力明顯小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，2個(gè)模型此時(shí)均發(fā)生較嚴(yán)重的破壞，但預(yù)制框架剛度下降更為明顯.結(jié)合上述試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，這是由于在較強(qiáng)地震作用下，預(yù)制框架的后澆節(jié)點(diǎn)受損破壞更為嚴(yán)重，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度迅速降低.

圖4 模型在不同地震峰值下的最大樓層剪力分布圖

2.4 位移反應(yīng)對(duì)比

圖5表示不同試驗(yàn)階段分別輸入WCW，ELW和SHW時(shí)各樓層的最大樓層位移反應(yīng).從圖5可以看出，在地震試驗(yàn)中輸入同一水準(zhǔn)地震波時(shí)，2個(gè)模型結(jié)構(gòu)的位移變形曲線形狀大致相同.

圖5 模型在不同地震峰值下的樓層最大位移

試驗(yàn)過程中，預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的最大樓層位移基本都大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)后期，這一現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯，這點(diǎn)與普通預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)類似［14］.總體上看，2種結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移曲線均表現(xiàn)出一定的右凸趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形曲線呈現(xiàn)剪切型.

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，2個(gè)模型的最大層間位移基本上都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的1層或2層.表2對(duì)比了各試驗(yàn)工況下2個(gè)模型的最大層間位移角.可以看出，在彈性和彈塑性階段前期，預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角略大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，數(shù)值上十分接近，但在試驗(yàn)后期，預(yù)制結(jié)構(gòu)最大層間位移角的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震變形驗(yàn)算，按照我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2010［13］，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的彈性層間位移角限值為1/550，在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值為1/50.由表2可知，現(xiàn)澆和預(yù)制再生混凝土框架在7度多遇(0.066g)和7度罕遇(0.415g)地震作用下的最大層間位移角基本能夠滿足規(guī)范要求.

表2 各工況下2個(gè)框架模型最大層間位移角

3 抗震性能對(duì)比

3.1 骨架曲線和剛度退化對(duì)比

圖6是采用指數(shù)函數(shù)擬合得到的2個(gè)模型的骨架曲線.可以看出，預(yù)制框架的極限承載力要低于現(xiàn)澆框架，這點(diǎn)與前面關(guān)于最大樓層剪力的對(duì)比分析是一致的.

圖6 2個(gè)模型骨架曲線擬合

骨架曲線斜率的變化表示了結(jié)構(gòu)剛度的退化情況.從圖6還可以看出，在彈性及彈塑性階段前期，現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架的抗側(cè)剛度退化速度基本相同，但是在彈塑性階段后期，預(yù)制框架剛度的退化較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)降低得快.這與前文的分析，在試驗(yàn)后期，預(yù)制框架的累積損傷更為嚴(yán)重，部分后澆節(jié)點(diǎn)破壞較為嚴(yán)重的結(jié)論是一致的.

3.2 延性系數(shù)對(duì)比

結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)在外荷載作用下，其變形超過屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后，在外荷載繼續(xù)作用下，變形繼續(xù)增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不致破壞的性能.

采用通用屈服彎矩法計(jì)算2個(gè)模型的延性系數(shù)［15］.由延性系數(shù)計(jì)算公式，現(xiàn)澆再生混凝土框架的延性系數(shù) μ1= Δu/Δy=89.50/26.87=3.32，預(yù)制再生混凝土框架的延性系數(shù) μ2=Δu/Δy=68.11/17.68=3.85.盡管預(yù)制施工的再生混凝土框架的極限承載力低于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，但是預(yù)制施工對(duì)于結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)影響不大.

4 結(jié)論

1)在整個(gè)試驗(yàn)過程中，預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段前期抗震性能較好，與現(xiàn)澆再生混凝土框架的抗震性能差別不大.在彈塑性階段后期，預(yù)制框架節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度退化較快.

2)現(xiàn)澆與預(yù)制框架模型的自振頻率均隨臺(tái)面輸入加速度峰值的增大而降低，試驗(yàn)前期下降趨勢(shì)差別不大，后期預(yù)制框架由于后澆節(jié)點(diǎn)剛度退化更為迅速，自振頻率下降速度快于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu).

3)彈性和彈塑性階段前期，預(yù)制框架的最大樓層剪力、最大樓層位移和最大層間位移均與現(xiàn)澆框架十分接近;在彈塑性階段后期，預(yù)制框架的最大樓層剪力明顯小于現(xiàn)澆框架，而預(yù)制框架的最大樓層位移和最大層間位移均明顯大于現(xiàn)澆框架.

4)骨架曲線表明在彈性及彈塑性階段前期，現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架的抗側(cè)能力基本相同，但是在彈塑性階段后期，預(yù)制框架的抗側(cè)能力較現(xiàn)澆框架降低得快.

5)試驗(yàn)表明，現(xiàn)澆和預(yù)制再生混凝土框架在彈性和彈塑性前期階段完全滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范規(guī)定的7度抗震設(shè)防烈度的要求.而在彈塑性階段后期，預(yù)制框架后澆節(jié)點(diǎn)處混凝土破壞嚴(yán)重，耗能不佳.本文建議不高于6層的預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋用在8度抗震設(shè)防烈度要求的地震區(qū)時(shí)，宜按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求提高1度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì).

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Contrastive analysis on seismic performances between cast-in-situ and precast frame structure made of recycled aggregate concrete

Xiao Jianzhuang Ding Tao Wang Changqing Pham Thi Loan
(Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Abstract:One cast-in-situ and one precast one-fourth scaled recycled aggregate concrete(RAC)frame structure model with the same plane and elevation were tested on the shaking table，respectively.The dynamic responses including natural frequency，inter-storey shear force，storey displacement and inter-storey displacement and the seismic performances including stiffness degradation and ductility of the two models were investigated comparatively.The comparative analysis indicates that in the elastic and early elasto-plastic stages，both of the two models present similar dynamic response trends with the increase in peak ground acceleration(PGA);that is，the natural frequency descends，and the inter-storey shear force and the displacement increase gradually.The damage of the precast frame joint is more serious in the later elasto-plastic stage;therefore the bearing capacity is lower than that of the cast-in-situ one.Furthermore，compared with the cast-in-situ frame the stiffness deterioration of the precast frame is more rapid and the inter-storey displacement is obviously larger at this stage.The overall seismic performance of the precast RAC frame is inferior to that of the cast-in-situ one，but the influence of the different construction methods on the ductility coefficient is negligible.

Key words:recycled aggregate concrete(RAC);cast-in-situ;precast;shaking table test;seismic performance

中圖分類號(hào):TU528.79;TU317.1

A

1001－0505(2014)01-0194-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.035

收稿日期:2013-06-05.

肖建莊(1968—)，男，博士，教授，jzx@#edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178340，51325802).

肖建莊，丁陶，王長(zhǎng)青，等.現(xiàn)澆與預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能對(duì)比分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，44(1):194-198.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.035］